CN204141897U - 太阳能低温热发电复合地源热泵系统 - Google Patents

Abstract

太阳能低温热发电复合地源热泵系统，主要由太阳能集热器、地埋管换热器、第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器、增压泵、膨胀机、发电机、地源热泵冷热水机组、蓄电装置等组成。本实用新型利用土壤和太阳能作为低温热发电装置的冷热源发电驱动循环水泵，将冷凝热存在土壤中，避免因断电导致集热系统过热，致使集热系统损坏隐患；多余电量用于驱动供冷循环泵或其它用电设备；低温热发电装置的效率较高。将太阳能低温热发电蓄热系统与地源热泵系统复合，可使地源热泵系统长期运行时，地埋管换热器周围土壤的热平衡。该系统适用于严寒地区民用建筑和办公建筑，特别适用于严寒地区距集中供热热网管线较远、对大气环境要求严格且经常断电的地区。

Description

太阳能低温热发电复合地源热泵系统

技术领域

本实用新型涉及热泵供暖空调领域及太阳能低温热发电领域，具体是太阳能低温热发电复合地源热泵系统，该系统可作为严寒地区民用建筑和公共建筑的供暖空调系统冷热源，特别适用于严寒地区距集中供暖热网管线较远、对大气环境要求严格经常断电地区的建筑对象。

背景技术

我国幅员辽阔，绝大部分地区处于严寒和寒冷地区，这些地区的建筑都需要使用供暖空调系统，城市建筑的快速发展给地源热泵系统在建筑暖通空调系统中的应用带来了巨大的发展潜力。严寒地区冬季供暖期长、热负荷很大，而夏季空调期相对较短，冷负荷较小，土壤的平均温度较低，若单独使用地源热泵系统进行供暖、空调，势必会造成系统对土壤取热和补热的不一致，土壤换热器周围的土壤温度将会逐年下降，长时间运行后，埋管换热器周围的土壤温度场会出现不可恢复的恶化，同时随着换热器周围土壤温度逐渐下降，热泵的制热性能系数也逐渐下降，甚至会出现出力不足的现象。为了实现换热器周围土壤温度场以年为周期的热平衡，保证热泵机组的高效运行，必须向土壤补充热量。太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，利用太阳能集热器收集的太阳热对土壤进行补热，同时间歇作为热源进行供暖是一个很好的选择，虽然补热过程仅运行循环泵，但是仍然要消耗一定的电能，若发生断电事故，水泵无法正常工作，经常会使太阳能集热器温度过高导致爆管，使系统的安全性降低。

针对上述问题，本实用新型提出了太阳能低温热发电复合地源热泵系统，该系统利用太阳能作为高温热源，将土壤作为低温热源，采用有机郎肯循环发电，以驱动蓄热循环泵、供冷循环泵等，使得该系统可以实现零能耗蓄热，同时还可以避免因停电造成的集热器故障问题发生。与传统的太阳能低温热发电系统相比，该系统采用了温度更低、更稳定的土壤冷源，发电效率大大提高。

发明内容

本实用新型提供太阳能低温热发电复合地源热泵系统，该装置实现了太阳能、浅层土壤热能高效利用，系统结构紧凑，便于安装，运行控制灵活。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

1. 太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其系统包括太阳能集热器1、蓄热系列土壤换热器2、供冷系列土壤换热器3、第一热交换器4、第二热交换器5、第三热交换器6、膨胀机7、发电机8、地源热泵冷热水机组9、增压泵10、第一循环泵11、第二循环泵12、第三循环泵13、第四循环泵14、蓄电装置24等组成；所述的太阳能集热器1的出口经第一阀门15与第一热交换器4的热侧入口相连；所述的第一热交换器4的热侧出口经第一循环泵11与太阳能集热器1的进口相连；第一热交换器4的冷侧出口经膨胀机7与第二热交换器5的热侧入口相连；所述的第二热交换器5的热侧出口经增压泵10与第一热交换器4的冷侧入口相连；第二热交换器5的冷侧出口经第三阀门17与蓄热系列土壤换热器2的入口相连；所述的蓄热系列土壤换热器2的出口经第二循环泵12与第二热交换器5的冷侧入口相连；所述的膨胀机7的出口依次与发电机8、蓄电装置24相连；所述的供冷系列土壤换热器3的出口经第三循环泵13、第五阀门19与第三热交换器6的热源侧入口相连；所述的第三热交换器6的热源侧出口与供冷系列土壤换热器3的入口相连；所述的地源热泵冷热水机组9供热工况时的蒸发器侧冷冻水出口经第六阀门20、第四阀门18与蓄热系列土壤换热器2的入口相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的蒸发器侧冷冻水入口经第二阀门16、第二循环泵12与蓄热系列土壤换热器2的出口相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的蒸发器侧冷冻水出口经第六阀门20与供冷系列土壤换热器3的入口相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的蒸发器侧冷冻水入口经第三循环泵13与供冷系列土壤换热器3的出口相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的冷凝器侧冷却水出口经第九阀门23、第四循环泵14与用户的供水管道相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的冷凝器侧冷却水入口与用户的回水管道相连；所述的第三热交换器6的热源侧入口与太阳能集热器1的出口相连；第三热交换器6的热源侧出口经第七阀门21、第一循环泵11与太阳能集热器1的入口相连；第三热交换器6的用户侧入口经第四循环泵14与用户的供水管道相连；第三热交换器6的用户侧出口经第八阀门22与用户的回水管道相连。

本实用新型所述的太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其特征在于：所述的第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器为水冷换热器。

本实用新型所述的太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其特征在于：所述的蓄电装置可分别向蓄热循环泵、供冷循环泵和生活用电设备供电。

本实用新型所述的太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其特征在于：所述的第一热交换器、增压泵、第二热交换器、膨胀机与发电机构成低温热发电装置，该装置工作过程采用有机朗肯循环，可采用有机工质包含R134a、R22等。

本实用新型所述的太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其特征在于：所述太阳能集热器出口流体温度高于80℃，可为高温集热器、中高温集热器、中低温集热器，可采用聚光型、真空管型、平板型集热器。

本实用新型提供的季节性蓄热太阳能低温热发电复合地源热泵系统的运行方法，其特征在于：所述的季节性蓄热太阳能低温热发电复合地源热泵系统的运行方法包括以下六种运行模式：

太阳能热发电土壤蓄热模式，该模式运行在非供暖期或是供暖期系统停止供暖时，将太阳能集热器收集到的太阳热通过第一热交换器把热量传递给有机工质，推动膨胀机做功、发电机发电，所发电量用于驱动第一循环泵，多余电量存入蓄电装置中，用于其它生活用电，低温热发电装置冷凝热通过第二热交换器蓄存在蓄热系列土壤换热器中。

太阳能热发电土壤蓄热—土壤直接供冷模式，该模式运行在供冷初期，此时埋管换热器周围土壤温度较低，用户冷负荷比较小，太阳能低温热发电装置所发电量用于驱动第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵，多余电量存入蓄电装置中，用于其它生活用电，低温热发电装置冷凝热通过蓄热系列土壤换热器蓄存在其周围土壤中。在进行太阳能低温热发电对蓄热系列土壤换热器周围土壤蓄热的同时，由供冷系列土壤换热器取冷并通过第三热交换器供给用户。

太阳能热发电土壤蓄热—地源热泵供冷模式，该模式运行在供冷中后期，供冷系列埋管换热器周围土壤温度较高，达不到供冷要求，或者用户冷负荷较大，土壤直接供冷难以满足要求，太阳能低温热发电装置所发电量用于驱动第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵，多余电量存入蓄电装置中，用于其它生活用电，低温热发电装置冷凝热通过蓄热系列土壤换热器蓄存在其周围土壤中。在进行太阳能低温热发电对蓄热系列土壤换热器周围土壤蓄热的同时，利用供冷系列土壤换热器取冷作为地源热泵冷热水机组的冷源对用户供冷，冷凝热蓄存在供冷系列土壤换热器周围土壤中。

太阳能直接供暖模式，该模式运行在供暖初期或供暖末期用户热负荷较小时，若太阳能集热器集热量可以单独满足供暖需求，将太阳能集热器收集到的热量通过第三热交换器直接供给用户。

太阳能—地源热泵供暖模式，该模式运行在供暖中期，太阳能集热器不能单独满足供暖需求时，启动地源热泵冷热水机组辅助供暖，同时将冷量蓄存在蓄热系列土壤换热器、供冷系列土壤换热器周围土壤中。

地源热泵供暖模式，该模式运行在供暖期夜间、阴雪天太阳能集热器不能用于供暖时，利用蓄热系列土壤换热器、供冷系列土壤换热器从其周围土壤中取热，作为地源热泵冷热水机组的低温热源对用户进行供暖，同时将冷量蓄存在蓄热系列土壤换热器、供冷系列土壤换热器周围土壤中。

本实用新型的有益效果：

   （1）节能减排，充分利用可再生能源。传统的供暖空调系统采用大量常规能源，造成能源的浪费。本系统充分利用太阳能、地热能等可再生能源，减小对常规能源的依赖，依靠多种能源的耦合，系统节能性大大提高；

   （2）优势互补，实现土壤热平衡。将太阳能低温热发电蓄热系统与地源热泵系统复合，提高了土壤的温度和热泵机组冬季制热效果，可以保障地源热泵系统长期运行时，地埋管换热器周围土壤的热平衡；

   （3）运行可靠，实现零供冷、蓄热能耗。利用土壤和太阳能作为低温热发电装置的冷热源发电驱动循环水泵，将冷凝热全部蓄存在土壤中，当电量还有剩余时还可用作供给用户的生活用电，实现了供冷、蓄热零能耗，同时避免了由于断电导致集热系统过热，进而致使集热系统损坏的隐患。

附图说明

图1为本实用新型的季节性蓄热太阳能低温热发电复合地源热泵系统的结构示意图；

图2为本实用新型的太阳能热发电土壤蓄热的结构示意图；

图3为本实用新型的太阳能热发电土壤蓄热—土壤直接供冷的结构示意图；

图4为本实用新型的太阳能热发电土壤蓄热—地源热泵供冷的结构示意图；

图5为本实用新型的太阳能直接供暖的结构示意图；

图6为本实用新型的太阳能-地源热泵供暖的结构示意图；

图7为本实用新型的地源热泵供暖的结构示意图。

图1-图7中附图标记的名称如下：1-太阳能集热器、 2-蓄热系列土壤换热器、 3-供冷系列土壤换热器 、4-第一热交换器 、5-第二热交换器、 6-第三热交换器、 7-膨胀机 、8-发电机、 9-地源热泵热水机组、 10-增压泵、 11-第一循环泵、 12-第二循环泵、 13-第三循环泵、 14-第四循环泵、 15-第一阀门、 16-第二阀门、 17-第三阀门、 18-第四阀门、 19-第五阀门、 20-第六阀门、 21-第七阀门、 22-第八阀门、 23-第九阀门、 24-蓄电装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，此为季节性蓄热太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其系统包括太阳能集热器1、蓄热系列土壤换热器2、供冷系列土壤换热器3、第一热交换器4、第二热交换器5、第三热交换器6、膨胀机7、发电机8、地源热泵冷热水机组9、增压泵10、第一循环泵11、第二循环泵12、第三循环泵13、第四循环泵14、蓄电装置24等组成；所述的太阳能集热器1的出口经第一阀门15与第一热交换器4的热侧入口相连；所述的第一热交换器4的热侧出口经第一循环泵11与太阳能集热器1的进口相连；第一热交换器4的冷侧出口经膨胀机7与第二热交换器5的热侧入口相连；所述的第二热交换器5的热侧出口经增压泵10与第一热交换器4的冷侧入口相连；第二热交换器5的冷侧出口经第三阀门17与蓄热系列土壤换热器2的入口相连；所述的蓄热系列土壤换热器2的出口经第二循环泵12与第二热交换器5的冷侧入口相连；所述的膨胀机7的出口依次与发电机8、蓄电装置24相连；所述的供冷系列土壤换热器3的出口经第三循环泵13、第五阀门19与第三热交换器6的热源侧入口相连；所述的第三热交换器6的热源侧出口与供冷系列土壤换热器3的入口相连；所述的地源热泵冷热水机组9供热工况时的蒸发器侧冷冻水出口经第六阀门20、第四阀门18与蓄热系列土壤换热器2的入口相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的蒸发器侧冷冻水入口经第二阀门16、第二循环泵12与蓄热系列土壤换热器2的出口相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的蒸发器侧冷冻水出口经第六阀门20与供冷系列土壤换热器3的入口相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的蒸发器侧冷冻水入口经第三循环泵13与供冷系列土壤换热器3的出口相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的冷凝器侧冷却水出口经第九阀门23、第四循环泵14与用户的供水管道相连；地源热泵冷热水机组9供热工况时的冷凝器侧冷却水入口与用户的回水管道相连；所述的第三热交换器6的热源侧入口与太阳能集热器1的出口相连；第三热交换器6的热源侧出口经第七阀门21、第一循环泵11与太阳能集热器1的入口相连；第三热交换器6的用户侧入口经第四循环泵14与用户的供水管道相连；第三热交换器6的用户侧出口经第八阀门22与用户的回水管道相连；图2-图7分别为本实用新型的不同运行模式的结构示意图。

下面结合附图说明本实用新型的使用过程：

如图2所示，此为太阳能热发电土壤蓄热模式，该模式运行在非供暖期或是供暖期系统停止供暖时，打开增压泵10、第一循环泵11、第二循环泵12、第一阀门15、第三阀门17，关闭其余阀门，将太阳能集热器1收集到的太阳热通过第一热交换器4把热量传递给有机工质，推动膨胀机7做功、发电机8发电，所发电量用于驱动第一循环泵11，多余电量存入蓄电装置24中，用于其它生活用电，低温热发电装置冷凝热通过第二热交换器5蓄存在蓄热系列土壤换热器2中。

如图3所示，此为太阳能热发电土壤蓄热—土壤直接供冷模式，该模式运行在供冷初期，此时埋管换热器周围土壤温度较低，用户冷负荷比较小，打开增压泵10、第一循环泵11、第二循环泵12、第三循环泵13、第四循环泵14、第一阀门15、第三阀门17、第五阀门19、第八阀门22，关闭其余阀门。此时，太阳能低温热发电装置所发电量用于驱动第一循环泵11、第二循环泵12、第三循环泵13、第四循环泵14，多余电量存入蓄电装置24中，用于其它生活用电，低温热发电装置冷凝热通过蓄热系列土壤换热器2蓄存在其周围土壤中。在进行太阳能低温热发电对蓄热系列土壤换热器2周围土壤蓄热的同时，由供冷系列土壤换热器3取冷并通过第三热交换器6供给用户。

如图4所示，此为太阳能热发电并蓄热—地源热泵直接供冷模式，该模式运行在供冷中后期，供冷系列埋管换热器周围土壤温度较高，达不到供冷要求，或者用户冷负荷较大，土壤直接供冷难以满足要求。此时，打开增压泵10、第一循环泵11、第二循环泵12、第三循环泵13、第四循环泵14、第一阀门15、第三阀门17、第六阀门20、第九阀门23，关闭其余阀门，此时，太阳能低温热发电装置所发电量用于驱动第一循环泵11、第二循环泵12、第三循环泵13、第四循环泵14，多余电量存入蓄电装置24中，用于其它生活用电，低温热发电装置冷凝热通过蓄热系列土壤换热器2蓄存在其周围土壤中。在进行太阳能低温热发电对蓄热系列土壤换热器2周围土壤蓄热的同时，利用供冷系列土壤换热器3取冷作为地源热泵冷热水机组9的冷源对用户供冷，冷凝热蓄存在供冷系列土壤换热器3周围土壤中。

如图5所示，此为太阳能直接供暖模式，该模式运行在供暖初期或供暖末期用户热负荷较小时，若太阳能集热器1集热量可以单独满足供暖需求，打开第一循环泵11、第四循环泵14、第七阀门21、第八阀门22，关闭其余阀门，将太阳能集热器1收集到的热量通过第三热交换器6直接供给用户。

如图6所示，此为太阳能—地源热泵直接供暖模式，该模式运行在供暖中期，太阳能集热器不能单独满足供暖需求时，启动地源热泵冷热水机组9辅助供暖，打开第一循环泵11、第二循环泵12、第三循环泵13、第四循环泵14、第二阀门16、第四阀门18、第六阀门20、第七阀门21、第八阀门22、第九阀门23，关闭其余阀门，用太阳能和地源热泵进行供暖，同时将冷量蓄存在蓄热系列土壤换热器2、供冷系列土壤换热器3周围土壤中。

如图7所示，此为地源热泵直接供暖模式，该模式运行在供暖期夜间、阴雪天太阳能集热器不能用于供暖时，打开第二循环泵12、第三循环泵13、第四循环泵14、第二阀门16、第四阀门18、第六阀门20、第九阀门23，关闭其余阀门，利用蓄热系列土壤换热器2、供冷系列土壤换热器3从其周围土壤中取热，作为地源热泵冷热水机组9的低温热源对用户进行供暖，同时将冷量蓄存在蓄热系列土壤换热器2、供冷系列土壤换热器3周围土壤中。

    本实施例中，地源热泵系统的制冷剂可采用R22、R134a等，有机朗肯循环中的传热工质可采用R134a、R22、R245fa、R407c、R123等。

Claims (4)

1.太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其系统包括太阳能集热器（1）、蓄热系列土壤换热器（2）、供冷系列土壤换热器（3）、第一热交换器（4）、第二热交换器（5）、第三热交换器（6）、膨胀机（7）、发电机（8）、地源热泵冷热水机组（9）、增压泵（10）、第一循环泵（11）、第二循环泵（12）、第三循环泵（13）、第四循环泵（14）、蓄电装置（24）；所述的太阳能集热器（1）的出口经第一阀门（15）与第一热交换器（4）的热侧入口相连；所述的第一热交换器（4）的热侧出口经第一循环泵（11）与太阳能集热器（1）的进口相连；第一热交换器（4）的冷侧出口经膨胀机（7）与第二热交换器（5）的热侧入口相连；所述的第二热交换器（5）的热侧出口经增压泵（10）与第一热交换器（4）的冷侧入口相连；第二热交换器（5）的冷侧出口经第三阀门（17）与蓄热系列土壤换热器（2）的入口相连；所述的蓄热系列土壤换热器（2）的出口经第二循环泵（12）与第二热交换器（5）的冷侧入口相连；所述的膨胀机（7）的出口依次与发电机（8）、蓄电装置（24）相连；所述的供冷系列土壤换热器（3）的出口经第三循环泵（13）、第五阀门（19）与第三热交换器（6）的热源侧入口相连；所述的第三热交换器（6）的热源侧出口与供冷系列土壤换热器（3）的入口相连；所述的地源热泵冷热水机组（9）供热工况时的蒸发器侧冷冻水出口经第六阀门（20）、第四阀门（18）与蓄热系列土壤换热器（2）的入口相连；地源热泵冷热水机组（9）供热工况时的蒸发器侧冷冻水入口经第二阀门（16）、第二循环泵（12）与蓄热系列土壤换热器（2）的出口相连；地源热泵冷热水机组（9）供热工况时的蒸发器侧冷冻水出口经第六阀门（20）与供冷系列土壤换热器（3）的入口相连；地源热泵冷热水机组（9）供热工况时的蒸发器侧冷冻水入口经第三循环泵（13）与供冷系列土壤换热器（3）的出口相连；地源热泵冷热水机组（9）供热工况时的冷凝器侧冷却水出口经第九阀门（23）、第四循环泵（14）与用户的供水管道相连；地源热泵冷热水机组（9）供热工况时的冷凝器侧冷却水入口与用户的回水管道相连；所述的第三热交换器（6）的热源侧入口与太阳能集热器（1）的出口相连；第三热交换器（6）的热源侧出口经第七阀门（21）、第一循环泵（11）与太阳能集热器（1）的入口相连；第三热交换器（6）的用户侧入口经第四循环泵（14）与用户的供水管道相连；第三热交换器（6）的用户侧出口经第八阀门（22）与用户的回水管道相连。

2.根据权利要求1所述的太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其特征在于：所述的第一热交换器（4）、第二热交换器（5）和第三热交换器（6）为水冷换热器。

3.根据权利要求1所述的太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其特征在于：所述的第一热交换器（4）、增压泵（10）、第二热交换器（5）、膨胀机（7）与发电机（8）构成低温热发电装置，该装置工作过程采用有机朗肯循环，可采用有机工质包含R134a、R22、R245fa、R407c、R123。

4.根据权利要求1所述的太阳能低温热发电复合地源热泵系统，其特征在于：所述太阳能集热器（1）出口流体温度高于80℃，可为高温集热器、中高温集热器、或中低温集热器，可采用聚光型、真空管型、或平板型集热器。